A química e a física do fogo

O fogo é uma manifestação de combustão descontrolada. Envolve materiais combustíveis que se encontram à nossa volta nos edifícios em que vivemos, trabalhamos e nos divertimos, bem como uma vasta gama de gases, líquidos e sólidos que se encontram na indústria e no comércio. Eles são comumente baseados em carbono e podem ser referidos coletivamente como combustíveis no contexto desta discussão. Apesar da grande variedade desses combustíveis, tanto em seus estados químicos quanto físicos, no fogo eles compartilham características comuns a todos eles. As diferenças são encontradas na facilidade com que o fogo pode ser iniciado (ignição), a taxa com que o fogo pode se desenvolver (propagação da chama) e a potência que pode ser gerada (taxa de liberação de calor), mas à medida que nossa compreensão da ciência do fogo melhora, nos tornamos mais capazes de quantificar e prever o comportamento do fogo e aplicar nosso conhecimento à segurança contra incêndios em geral. O objetivo desta seção é revisar alguns dos princípios subjacentes e fornecer orientação para a compreensão dos processos de incêndio.

Conceitos Básicos

Materiais combustíveis estão ao nosso redor. Dadas as circunstâncias apropriadas, eles podem ser queimados, submetendo-os a um fonte da ignição que é capaz de iniciar uma reação autossustentável. Nesse processo, o “combustível” reage com o oxigênio do ar para liberar energia (calor), sendo convertido em produtos da combustão, alguns dos quais podem ser nocivos. Os mecanismos de ignição e queima precisam ser claramente compreendidos.

A maioria dos incêndios cotidianos envolve materiais sólidos (por exemplo, madeira, produtos de madeira e polímeros sintéticos), embora combustíveis gasosos e líquidos não sejam incomuns. Uma breve revisão da combustão de gases e líquidos é desejável antes de discutir alguns dos conceitos básicos.

Difusão e chamas pré-misturadas

Um gás inflamável (por exemplo, propano, C₃H₈) pode ser queimado de duas maneiras: uma corrente ou jato de gás de um tubo (cf. o bico de Bunsen simples com a entrada de ar fechada) pode ser inflamado e queimará como um chama de difusão em que a queima ocorre naquelas regiões onde o combustível gasoso e o ar se misturam por processos difusivos. Essa chama tem uma luminosidade amarela característica, indicando a presença de minúsculas partículas de fuligem formadas como resultado da combustão incompleta. Alguns deles queimarão na chama, mas outros emergirão da ponta da chama para formar fumar.

Se o gás e o ar estiverem intimamente misturados antes da ignição, ocorrerá combustão pré-misturada, desde que a mistura gás/ar esteja dentro de uma faixa de concentração limitada pelos limites inferior e superior limites de inflamabilidade (ver tabela 1). Fora desses limites, a mistura não é inflamável. (Observe que um chama pré-misturada é estabilizado na boca de um bico de Bunsen quando a entrada de ar está aberta.) Se uma mistura for inflamável, ela pode ser inflamada por uma pequena fonte de ignição, como uma faísca elétrica. o estequiométrico mistura é a mais facilmente inflamada, na qual a quantidade de oxigênio presente está na proporção correta para queimar todo o combustível em dióxido de carbono e água (veja a equação abaixo, na qual o nitrogênio pode ser visto presente na mesma proporção que no ar, mas não participa da reação). Propano (C₃H₈) é o material combustível nesta reação:

C₃H₈ + 5O₂ + 18.8N₂ = 3CO₂ + 4H₂O + 18.8N₂

Uma descarga elétrica tão pequena quanto 0.3 mJ é suficiente para inflamar uma mistura estequiométrica de propano/ar na reação ilustrada. Isso representa uma centelha estática quase imperceptível, experimentada por alguém que atravessou um carpete sintético e tocou em um objeto aterrado. Quantidades ainda menores de energia são necessárias para certos gases reativos, como hidrogênio, etileno e etino. No oxigênio puro (como na reação acima, mas sem nitrogênio presente como diluente), mesmo energias mais baixas são suficientes.

Tabela 1. Limites de inflamabilidade inferior e superior no ar

A chama de difusão associada a um fluxo de combustível gasoso exemplifica o modo de queima que é observado quando um combustível líquido ou sólido sofre combustão flamejante. Porém, neste caso, a chama é alimentada pelos vapores do combustível gerados na superfície da fase condensada. A taxa de fornecimento desses vapores é acoplada à sua taxa de queima na chama de difusão. A energia é transferida da chama para a superfície, fornecendo assim a energia necessária para produzir os vapores. Este é um processo evaporativo simples para combustíveis líquidos, mas para sólidos, deve-se fornecer energia suficiente para causar a decomposição química do combustível, quebrando grandes moléculas poliméricas em fragmentos menores que podem vaporizar e escapar da superfície. Este feedback térmico é essencial para manter o fluxo de vapores e, portanto, sustentar a chama de difusão (figura 1). As chamas podem ser extintas interferindo neste processo de várias maneiras (veja abaixo).

Figura 1. Representação esquemática de uma superfície em chamas mostrando os processos de transferência de calor e massa.

Transferência de calor

Uma compreensão da transferência de calor (ou energia) é a chave para entender o comportamento e os processos do fogo. O assunto merece um estudo cuidadoso. Existem muitos textos excelentes aos quais se pode recorrer (Welty, Wilson e Wicks 1976; DiNenno 1988), mas para os presentes propósitos é necessário apenas chamar a atenção para os três mecanismos: condução, convecção e radiação. As equações básicas para a transferência de calor em estado estacionário () são:

Condução:   

Convecção:    

Radiação:      

A condução é relevante para a transferência de calor através de sólidos; (k é uma propriedade do material conhecida como condutividade térmica (kW/mK ) e l é a distância (m) sobre a qual a temperatura cai de T₁ para T₂ (em graus Kelvin). A convecção neste contexto refere-se à transferência de calor de um fluido (neste caso, ar, chamas ou produtos de fogo) para uma superfície (sólida ou líquida); h é o coeficiente de transferência de calor por convecção kW/m²K) e depende da configuração da superfície e da natureza do fluxo de fluido que passa por essa superfície. A radiação é semelhante à luz visível (mas com um comprimento de onda maior) e não requer meio intermediário (pode atravessar o vácuo); e é a emissividade (eficiência pela qual uma superfície pode irradiar), s é a constante de Stefan-Boltzman (). A radiação térmica viaja à velocidade da luz (3 x 10⁸ m/s) e um objeto sólido intermediário projetará uma sombra.

Taxa de queima e taxa de liberação de calor

A transferência de calor das chamas para a superfície dos combustíveis condensados ​​(líquidos e sólidos) envolve uma mistura de convecção e radiação, embora esta última domine quando o diâmetro efetivo do fogo excede 1 m. A taxa de queima (, (g/s)) pode ser expressa pela fórmula:

é o fluxo de calor da chama para a superfície (kW/m²); é a perda de calor da superfície (por exemplo, por radiação e por condução através do sólido) expressa como um fluxo (kW/m²); A_combustível é a área da superfície do combustível (m²); e L_v é o calor de gaseificação (equivalente ao calor latente de evaporação de um líquido) (kJ/g). Se um incêndio se desenvolve em um espaço confinado, os gases quentes de fumaça que se elevam do fogo (impulsionados pela flutuabilidade) são desviados para baixo do teto, aquecendo as superfícies superiores. A camada de fumaça resultante e as superfícies quentes irradiam para a parte inferior do invólucro, em particular para a superfície do combustível, aumentando assim a taxa de queima:

onde é o calor extra fornecido pela radiação da parte superior do invólucro (kW/m²). Essa realimentação adicional leva a taxas de queima muito maiores e ao fenômeno de flashover em espaços fechados onde há suprimento adequado de ar e combustível suficiente para sustentar o fogo (Drysdale 1985).

A taxa de queima é moderada pela magnitude do valor de L_v, o calor da gaseificação. Isso tende a ser baixo para líquidos e relativamente alto para sólidos. Consequentemente, os sólidos tendem a queimar muito mais lentamente do que os líquidos.

Tem sido argumentado que o parâmetro individual mais importante que determina o comportamento ao fogo de um material (ou conjunto de materiais) é a taxa de liberação de calor (RHR) que é acoplado à taxa de queima através da equação:

onde é o calor efetivo de combustão do combustível (kJ/g). Novas técnicas estão agora disponíveis para medir o RHR em diferentes fluxos de calor (por exemplo, o Calorímetro Cone), e agora é possível medir o RHR de itens grandes, como móveis estofados e revestimentos de parede em calorímetros de grande escala que usam consumo de oxigênio medições para determinar a taxa de liberação de calor (Babrauskas e Grayson 1992).

Deve-se notar que, à medida que um incêndio aumenta de tamanho, não apenas aumenta a taxa de liberação de calor, mas também aumenta a taxa de produção de “produtos do fogo”. Estes contêm espécies tóxicas e nocivas, bem como fumaça particulada, cujos rendimentos aumentarão quando um incêndio que se desenvolve em um edifício fechado torna-se subventilado.

Ignição

A ignição de um líquido ou sólido envolve o aumento da temperatura da superfície até que os vapores estejam sendo desenvolvidos a uma taxa suficiente para sustentar uma chama após a ignição dos vapores. Os combustíveis líquidos podem ser classificados de acordo com a sua pontos de inflamação, a temperatura mais baixa à qual existe uma mistura inflamável de vapor/ar à superfície (isto é, a pressão de vapor corresponde ao limite inferior de inflamabilidade). Estes podem ser medidos usando um aparelho padrão, e exemplos típicos são dados na tabela 2. Uma temperatura ligeiramente mais alta é necessária para produzir um fluxo de vapores suficiente para suportar uma chama de difusão. Isso é conhecido como o ponto de fogo. Para sólidos combustíveis, os mesmos conceitos são válidos, mas são necessárias temperaturas mais altas, pois a decomposição química está envolvida. O ponto de ignição é tipicamente superior a 300 °C, dependendo do combustível. Em geral, os materiais retardadores de chama têm pontos de ignição significativamente mais altos (consulte a Tabela 2).

Tabela 2. Pontos de inflamação e pontos de incêndio de combustíveis líquidos e sólidos

l = líquido; s = sólido.
¹ Pelo aparelho de copo fechado de Pensky-Martens.
² Líquidos: por aparelho de copo aberto Cleveland. Sólidos: Drysdale e Thomson (1994).
(Observe que os resultados para as espécies retardadoras de chama referem-se a um fluxo de calor de 37 kW/m²).

A facilidade de ignição de um material sólido depende, portanto, da facilidade com que sua temperatura superficial pode ser aumentada até o ponto de ignição, por exemplo, pela exposição ao calor radiante ou a um fluxo de gases quentes. Isso depende menos da química do processo de decomposição do que da espessura e das propriedades físicas do sólido, ou seja, sua condutividade térmica (k), densidade (r) e capacidade de calor (c). Sólidos finos, como aparas de madeira (e todas as seções finas), podem ser inflamados com muita facilidade porque têm uma massa térmica baixa, ou seja, é necessário relativamente pouco calor para aumentar a temperatura até o ponto de ignição. No entanto, quando o calor é transferido para a superfície de um sólido espesso, algum será conduzido da superfície para o corpo do sólido, moderando assim o aumento da temperatura da superfície. Pode-se mostrar teoricamente que a taxa de aumento da temperatura da superfície é determinada pela inércia térmica do material, ou seja, o produto krc. Isso é confirmado na prática, uma vez que materiais espessos com alta inércia térmica (por exemplo, carvalho, poliuretano sólido) levarão muito tempo para inflamar sob um determinado fluxo de calor, enquanto em condições idênticas materiais espessos com baixa inércia térmica (por exemplo, placa isolante de fibra, espuma de poliuretano) entrará em combustão rapidamente (Drysdale 1985).

Fontes de ignição

A ignição é ilustrada esquematicamente na figura 2 (ignição pilotada). Para uma ignição bem-sucedida, um fonte da ignição deve ser capaz não apenas de aumentar a temperatura da superfície até o ponto de ignição, ou acima, mas também deve causar a ignição dos vapores. Uma chama incidente atuará em ambas as capacidades, mas um fluxo radiativo imposto de uma fonte remota pode levar à evolução de vapores a uma temperatura acima do ponto de ignição, sem a ignição dos vapores. No entanto, se os vapores evoluídos estiverem quentes o suficiente (o que requer que a temperatura da superfície seja muito maior do que o ponto de ignição), eles podem se inflamar espontaneamente à medida que se misturam com o ar. Este processo é conhecido como ignição espontânea.

Figura 2. Cenário para ignição pilotada.

Um grande número de fontes de ignição pode ser identificado, mas elas têm uma coisa em comum, que é o resultado de algum tipo de descuido ou inação. Uma lista típica incluiria chamas nuas, “materiais para fumantes”, aquecimento por fricção, dispositivos elétricos (aquecedores, ferros de passar, fogões, etc.) e assim por diante. Uma excelente pesquisa pode ser encontrada em Cote (1991). Algumas delas estão resumidas na tabela 3.

Tabela 3. Fontes de ignição

Deve-se notar que os cigarros acesos não podem iniciar a combustão diretamente (mesmo em combustíveis gasosos comuns), mas podem causar fumegante em materiais que têm propensão a sofrer este tipo de combustão. Isso é observado apenas com materiais que carbonizam com o aquecimento. A combustão lenta envolve a oxidação da superfície do carvão, que gera calor suficiente localmente para produzir carvão fresco a partir do combustível adjacente não queimado. É um processo muito lento, mas pode eventualmente passar por uma transição para o flamejamento. Depois disso, o fogo se desenvolverá muito rapidamente.

Materiais que têm propensão a arder lentamente também podem exibir o fenômeno de autoaquecimento (Bowes 1984). Isso ocorre quando esse material é armazenado em grandes quantidades e de forma que o calor gerado pela oxidação lenta da superfície não possa escapar, levando a um aumento da temperatura no interior da massa. Se as condições forem adequadas, isso pode levar a um processo descontrolado que se desenvolve em uma reação latente nas profundezas do material.

Propagação de chamas

Um componente importante no crescimento de qualquer incêndio é a taxa na qual a chama se espalhará sobre superfícies combustíveis adjacentes. A propagação da chama pode ser modelada como uma frente de ignição avançando na qual a borda de ataque da chama atua como uma fonte de ignição para o combustível que ainda não está queimando. A taxa de propagação é determinada em parte pelas mesmas propriedades do material que controlam a facilidade de ignição e em parte pela interação entre a chama existente e a superfície à frente da frente. A propagação vertical ascendente é a mais rápida, pois a flutuabilidade garante que as chamas fluam para cima, expondo a superfície acima da área em chamas à transferência direta de calor das chamas. Isso deve ser contrastado com o espalhamento sobre uma superfície horizontal quando as chamas da área em chamas sobem verticalmente, afastando-se da superfície. De fato, é uma experiência comum que a propagação vertical é a mais perigosa (por exemplo, propagação de chamas em cortinas e cortinas e em roupas largas, como vestidos e camisolas).

A taxa de propagação também é afetada por um fluxo de calor radiante imposto. No desenvolvimento de um incêndio em uma sala, a área do incêndio crescerá mais rapidamente sob o nível crescente de radiação que se acumula à medida que o incêndio avança. Isso contribuirá para a aceleração do crescimento do fogo que é característico do flashover.

Teoria da Extinção de Incêndio

A extinção e supressão do fogo podem ser examinadas em termos do esboço acima da teoria do fogo. Os processos de combustão em fase gasosa (isto é, as reações de chama) são muito sensíveis a inibidores químicos. Alguns dos retardadores de chamas usados ​​para melhorar as “propriedades de fogo” dos materiais dependem do fato de que pequenas quantidades de inibidor liberadas com os vapores de combustível irão suprimir o estabelecimento da chama. A presença de um retardador de chama não pode tornar um material combustível incombustível, mas pode tornar a ignição mais difícil - talvez impedindo totalmente a ignição, desde que a fonte de ignição seja pequena. No entanto, se um material retardador de chamas se envolver em um incêndio existente, ele queimará porque os altos fluxos de calor superam o efeito do retardador.

A extinção de um incêndio pode ser conseguida de várias maneiras:

1. interromper o fornecimento de vapores de combustível

2. extinção da chama por extintores químicos (inibição)

3. removendo o suprimento de ar (oxigênio) para o fogo (abafando)

4. “explosão”.

Controlando o fluxo de vapores de combustível

O primeiro método, interrompendo o fornecimento de vapores de combustível, é claramente aplicável a um incêndio a jato de gás no qual o fornecimento de combustível pode ser simplesmente interrompido. No entanto, é também o método mais comum e seguro de extinguir um incêndio envolvendo combustíveis condensados. No caso de um incêndio envolvendo um sólido, isso requer que a superfície do combustível seja resfriada abaixo do ponto de ignição, quando o fluxo de vapores se torna muito pequeno para sustentar uma chama. Isso é alcançado de forma mais eficaz pela aplicação de água, seja manualmente ou por meio de um sistema automático (aspersores, spray de água, etc.). Em geral, os incêndios líquidos não podem ser tratados desta maneira: os combustíveis líquidos com baixo ponto de ignição simplesmente não podem ser resfriados o suficiente, enquanto no caso de um combustível de alto ponto de ignição, a vaporização vigorosa da água quando entra em contato com o líquido quente no superfície pode fazer com que o combustível queimado seja ejetado do recipiente. Isso pode ter consequências muito graves para quem combate o incêndio. (Existem alguns casos especiais em que um sistema automático de pulverização de água de alta pressão pode ser projetado para lidar com o último tipo de incêndio, mas isso não é comum.)

Incêndios líquidos são comumente extintos pelo uso de espumas de combate a incêndio (Cote 1991). Isso é produzido pela aspiração de um concentrado de espuma em uma corrente de água que é então direcionada ao fogo através de um bocal especial que permite que o ar seja arrastado para o fluxo. Isso produz uma espuma que flutua sobre o líquido, reduzindo a taxa de fornecimento de vapores de combustível por um efeito de bloqueio e protegendo a superfície da transferência de calor das chamas. A espuma deve ser aplicada com cuidado para formar uma “jangada” que aumenta gradualmente de tamanho para cobrir a superfície do líquido. As chamas diminuirão de tamanho à medida que a jangada crescer e, ao mesmo tempo, a espuma se desintegrará gradualmente, liberando água que ajudará no resfriamento da superfície. O mecanismo é de fato complexo, embora o resultado líquido seja o controle do fluxo de vapores.

Existem vários concentrados de espuma disponíveis e é importante escolher um que seja compatível com os líquidos a serem protegidos. As “espumas de proteína” originais foram desenvolvidas para incêndios de hidrocarbonetos líquidos, mas se decompõem rapidamente se colocadas em contato com combustíveis líquidos solúveis em água. Uma variedade de “espumas sintéticas” foi desenvolvida para lidar com toda a gama de incêndios líquidos que podem ser encontrados. Uma delas, a espuma aquosa formadora de filme (AFFF), é uma espuma para uso geral que também produz um filme de água na superfície do combustível líquido, aumentando assim sua eficácia.

Apagando a chama

Este método faz uso de supressores químicos para extinguir a chama. As reações que ocorrem na chama envolvem radicais livres, uma espécie altamente reativa que tem apenas uma existência fugaz, mas é continuamente regenerada por um processo de cadeia ramificada que mantém altas concentrações suficientes para permitir que a reação geral (por exemplo, uma reação do tipo R1) ocorra. em um ritmo rápido. Supressores químicos aplicados em quantidade suficiente causarão uma queda dramática na concentração desses radicais, extinguindo efetivamente a chama. Os agentes mais comuns que operam desta forma são os halons e os pós secos.

Os halons reagem na chama para gerar outras espécies intermediárias com as quais os radicais da chama reagem preferencialmente. Quantidades relativamente pequenas de halons são necessárias para extinguir um incêndio e, por esse motivo, eram tradicionalmente consideradas altamente desejáveis; as concentrações extintoras são “respiráveis” (embora os produtos gerados ao passar pela chama sejam nocivos). Os pós secos agem de maneira semelhante, mas em certas circunstâncias são muito mais eficazes. Partículas finas são dispersas na chama e causam o término das cadeias de radicais. É importante que as partículas sejam pequenas e numerosas. Isso é conseguido pelos fabricantes de muitas marcas proprietárias de pós secos, selecionando um pó que “decrepita”, ou seja, as partículas se fragmentam em partículas menores quando expostas às altas temperaturas da chama.

Para uma pessoa cuja roupa pegou fogo, um extintor de pó seco é reconhecido como o melhor método para controlar as chamas e proteger essa pessoa. A intervenção rápida dá um “knockdown” rápido, minimizando assim as lesões. No entanto, a chama deve ser completamente extinta porque as partículas caem rapidamente no chão e qualquer chama residual rapidamente se recupera. Da mesma forma, os halons só permanecerão eficazes se as concentrações locais forem mantidas. Se for aplicado ao ar livre, o vapor de halon se dispersa rapidamente e, mais uma vez, o fogo se restabelecerá rapidamente se houver alguma chama residual. Mais significativamente, a perda do supressor será seguida pela re-ignição do combustível se as temperaturas da superfície forem altas o suficiente. Nem os halons nem os pós secos têm qualquer efeito de resfriamento significativo na superfície do combustível.

Removendo o suprimento de ar

A descrição a seguir é uma simplificação exagerada do processo. Embora “retirar o suprimento de ar” certamente faça com que o fogo se extinga, para isso basta reduzir a concentração de oxigênio abaixo de um nível crítico. O conhecido “teste de índice de oxigênio” classifica os materiais combustíveis de acordo com a concentração mínima de oxigênio em uma mistura de oxigênio/nitrogênio que apenas suportará a chama. Muitos materiais comuns queimam em concentrações de oxigênio abaixo de aproximadamente 14% em temperatura ambiente (cerca de 20°C) e na ausência de qualquer transferência de calor imposta. A concentração crítica é dependente da temperatura, diminuindo à medida que a temperatura aumenta. Assim, um fogo que arde há algum tempo será capaz de suportar chamas em concentrações talvez tão baixas quanto 7%. Um incêndio em uma sala pode ser controlado e pode até se autoextinguir se o suprimento de oxigênio for limitado, mantendo portas e janelas fechadas. A chama pode cessar, mas a combustão lenta continuará em concentrações de oxigênio muito mais baixas. A entrada de ar abrindo uma porta ou quebrando uma janela antes que a sala esfrie o suficiente pode levar a uma erupção vigorosa do fogo, conhecida como backdraftou backdraft.

A “remoção do ar” é difícil de conseguir. No entanto, uma atmosfera pode se tornar “inerte” por inundação total por meio de um gás que não suportará a combustão, como nitrogênio, dióxido de carbono ou gases de um processo de combustão (por exemplo, motores de um navio) com baixo teor de oxigênio e alto em dióxido de carbono. Esta técnica só pode ser utilizada em espaços fechados, pois é necessário manter a concentração necessária do “gás inerte” até que o fogo se extinga completamente ou se iniciem as operações de combate ao incêndio. A inundação total tem aplicações especiais, como porões de navios e coleções de livros raros em bibliotecas. As concentrações mínimas exigidas dos gases inertes são apresentadas na Tabela 4. Estas baseiam-se no pressuposto de que o incêndio é detectado numa fase precoce e que a inundação é efectuada antes de se acumular demasiado calor no espaço.

Tabela 4: Comparação de concentrações de diferentes gases necessários para inertização

A “remoção de ar” pode ser efetuada nas imediações de um pequeno incêndio pela aplicação local de um supressor de um extintor. O dióxido de carbono é o único gás usado dessa maneira. No entanto, como este gás se dispersa rapidamente, é essencial extinguir todas as chamas durante o ataque ao fogo; caso contrário, o flamejante se restabelecerá. A re-ignição também é possível porque o dióxido de carbono tem pouco ou nenhum efeito de resfriamento. Vale ressaltar que um fino borrifo de água arrastado para uma chama pode causar extinção como resultado combinado da evaporação das gotas (que resfria a zona de queima) e redução da concentração de oxigênio por diluição pelo vapor d'água (que age da mesma forma como dióxido de carbono). Sprays finos de água e névoas estão sendo considerados como possíveis substitutos para os halons.

É apropriado mencionar aqui que não é aconselhável extinguir uma chama de gás, a menos que o fluxo de gás possa ser interrompido imediatamente depois disso. Caso contrário, um volume substancial de gás inflamável pode se acumular e, posteriormente, inflamar, com consequências potencialmente graves.

Soprar

Este método está incluído aqui para fins de integridade. Uma chama de fósforo pode ser facilmente apagada aumentando a velocidade do ar acima de um valor crítico nas proximidades da chama. O mecanismo opera desestabilizando a chama nas proximidades do combustível. Em princípio, incêndios maiores podem ser controlados da mesma maneira, mas normalmente são necessárias cargas explosivas para gerar velocidades suficientes. Incêndios em poços de petróleo podem ser extintos dessa maneira.

Finalmente, uma característica comum que precisa ser enfatizada é que a facilidade com que um incêndio pode ser extinto diminui rapidamente à medida que o fogo aumenta de tamanho. A detecção precoce permite a extinção com quantidades mínimas de supressor, com perdas reduzidas. Ao escolher um sistema supressor, deve-se levar em consideração a taxa potencial de desenvolvimento de incêndio e que tipo de sistema de detecção está disponível.

Explosões

Uma explosão é caracterizada pela liberação repentina de energia, produzindo uma onda de choque, ou onda de explosão, que pode ser capaz de causar danos remotos. Existem dois tipos distintos de fontes, a saber, o alto explosivo e a explosão de pressão. O alto explosivo é tipificado por compostos como trinitrotolueno (TNT) e ciclotrimetilenotrinitramina (RDX). Esses compostos são espécies altamente exotérmicas, decompondo-se para liberar quantidades substanciais de energia. Embora termicamente estáveis ​​(embora alguns sejam menos e requerem dessensibilização para torná-los seguros de manusear), eles podem ser induzidos a detonar, com decomposição, propagando-se à velocidade do som através do sólido. Se a quantidade de energia liberada for alta o suficiente, uma onda de choque se propagará da fonte com o potencial de causar danos significativos à distância.

Ao avaliar danos remotos, pode-se estimar o tamanho da explosão em termos de “equivalente TNT” (normalmente em toneladas métricas). Essa técnica se baseia na grande quantidade de dados coletados sobre o potencial de dano do TNT (muitos deles durante a guerra) e usa leis de escala empírica que foram desenvolvidas a partir de estudos dos danos causados ​​por quantidades conhecidas de TNT.

Em tempos de paz, os explosivos são usados ​​em diversas atividades, incluindo mineração, pedreiras e grandes obras de engenharia civil. A sua presença num local representa um perigo particular que requer uma gestão específica. No entanto, a outra fonte de “explosões” pode ser igualmente devastadora, principalmente se o perigo não for reconhecido. As sobrepressões que levam a rupturas de pressão podem ser o resultado de processos químicos dentro das fábricas ou de efeitos puramente físicos, como ocorrerá se um vaso for aquecido externamente, levando à sobrepressurização. O termo BLEVE (explosão de vapor em expansão de líquido em ebulição) tem sua origem aqui, referindo-se originalmente à falha de caldeiras a vapor. Agora também é comumente usado para descrever o evento em que um vaso de pressão contendo um gás liquefeito, como o GLP (gás liquefeito de petróleo), falha em um incêndio, liberando o conteúdo inflamável, que então se inflama para produzir uma “bola de fogo”.

Por outro lado, a sobrepressão pode ser causada internamente por um processo químico. Nas indústrias de processo, o autoaquecimento pode levar a uma reação descontrolada, gerando altas temperaturas e pressões capazes de causar uma ruptura de pressão. No entanto, o tipo mais comum de explosão é causado pela ignição de uma mistura inflamável de gás/ar que está confinada dentro de um item de uma planta ou mesmo dentro de qualquer estrutura confinante ou invólucro. O pré-requisito é a formação de uma mistura inflamável, uma ocorrência que deve ser evitada por um bom projeto e gerenciamento. No caso de uma liberação acidental, uma atmosfera inflamável existirá sempre que a concentração do gás (ou vapor) estiver entre os limites inferior e superior de inflamabilidade (Tabela 1). Se uma fonte de ignição for introduzida em uma dessas regiões, uma chama pré-misturada se propagará rapidamente a partir da fonte, convertendo a mistura combustível/ar em produtos de combustão a uma temperatura elevada. Isso pode chegar a 2,100 K, indicando que em um sistema completamente fechado inicialmente a 300 K, é possível uma sobrepressão de até 7 bar. Somente vasos de pressão especialmente projetados são capazes de conter tais sobrepressões. Edifícios comuns cairão a menos que sejam protegidos por painéis de alívio de pressão ou discos de ruptura ou por um sistema de supressão de explosão. Caso uma mistura inflamável se forme dentro de um edifício, a explosão subseqüente pode causar danos estruturais significativos – talvez destruição total – a menos que a explosão possa se espalhar para fora através de aberturas (por exemplo, falha de janelas) criadas durante os estágios iniciais da explosão.

Explosões deste tipo também estão associadas à ignição de suspensões de poeira no ar (Palmer 1973). Estes são encontrados quando há um acúmulo substancial de poeira “explosiva” que é desalojada de prateleiras, caibros e saliências dentro de um edifício para formar uma nuvem, que é então exposta a uma fonte de ignição (por exemplo, em moinhos de farinha, elevadores de grãos, etc. .). A poeira deve (obviamente) ser combustível, mas nem todas as poeiras combustíveis são explosivas à temperatura ambiente. Testes padrão foram projetados para determinar se uma poeira é explosiva. Eles também podem ser usados ​​para ilustrar que as poeiras explosivas exibem “limites de explosividade”, semelhantes em conceito aos “limites de inflamabilidade” de gases e vapores. Em geral, uma explosão de poeira tem o potencial de causar muitos danos porque o evento inicial pode fazer com que mais poeira seja desalojada, formando uma nuvem de poeira ainda maior que inevitavelmente se inflamará, para produzir uma explosão ainda maior.

Ventilação de explosãoou alívio de explosão, só funcionará com sucesso se a taxa de desenvolvimento da explosão for relativamente lenta, como associada à propagação de uma chama pré-misturada através de uma mistura inflamável estacionária ou uma nuvem de poeira explosiva. A ventilação de explosão não tem utilidade se houver detonação. A razão para isso é que as aberturas de alívio de pressão devem ser criadas em um estágio inicial do evento, quando a pressão ainda é relativamente baixa. Se ocorrer uma detonação, a pressão aumenta muito rapidamente para que o alívio seja eficaz, e o recipiente ou item de uma planta que o envolve sofre pressões internas muito altas que levarão à destruição maciça. Detonação de uma mistura de gases inflamáveis pode ocorrer se a mistura estiver contida dentro de um longo tubo ou duto. Sob certas condições, a propagação da chama pré-misturada empurrará o gás não queimado para a frente da chama a uma taxa que aumentará a turbulência, que por sua vez aumentará a taxa de propagação. Isso fornece um loop de feedback que fará com que a chama acelere até que uma onda de choque seja formada. Isso, combinado com o processo de combustão, é uma onda de detonação que pode se propagar a velocidades bem superiores a 1,000 m/s. Isso pode ser comparado com o velocidade de queima fundamental de uma mistura estequiométrica propano/ar de 0.45 m/s. (Esta é a taxa na qual uma chama se propaga através de uma mistura propano/ar quiescente (ou seja, não turbulenta).)

A importância da turbulência no desenvolvimento deste tipo de explosão não pode ser subestimada. A operação bem-sucedida de um sistema de proteção contra explosão depende da ventilação ou supressão precoce. Se a taxa de desenvolvimento da explosão for muito rápida, o sistema de proteção não será eficaz e poderão ocorrer sobrepressões inaceitáveis.

Uma alternativa ao alívio de explosão é supressão de explosão. Este tipo de proteção exige que a explosão seja detectada em um estágio muito inicial, o mais próximo possível da ignição. O detector é usado para iniciar a liberação rápida de um supressor no caminho da propagação da chama, detendo efetivamente a explosão antes que a pressão aumente a ponto de ameaçar a integridade dos limites envolventes. Os halons têm sido comumente usados ​​para esta finalidade, mas como eles estão sendo eliminados, a atenção agora está sendo dada ao uso de sistemas de spray de água de alta pressão. Este tipo de proteção é muito caro e tem aplicação limitada, pois só pode ser usado em volumes relativamente pequenos dentro dos quais o supressor pode ser distribuído rápida e uniformemente (por exemplo, dutos que transportam vapores inflamáveis ​​ou poeiras explosivas).

Análise de Informações para Proteção contra Incêndio

Em termos gerais, a ciência do fogo só recentemente foi desenvolvida a um estágio em que é capaz de fornecer a base de conhecimento sobre a qual as decisões racionais em relação ao projeto de engenharia, incluindo questões de segurança, podem ser baseadas. Tradicionalmente, a segurança contra incêndio desenvolveu-se ad hoc base, respondendo efetivamente a incidentes impondo regulamentos ou outras restrições para garantir que não haverá recorrência. Muitos exemplos poderiam ser citados. Por exemplo, o Grande Incêndio de Londres em 1666 levou, no devido tempo, ao estabelecimento dos primeiros regulamentos (ou códigos) de construção e ao desenvolvimento do seguro contra incêndio. Incidentes mais recentes, como os incêndios em prédios de escritórios em São Paulo, Brasil, em 1972 e 1974, iniciaram mudanças nos códigos de construção, enquadrados de forma a prevenir incêndios semelhantes com múltiplas fatalidades no futuro. Outros problemas foram abordados de maneira semelhante. Na Califórnia, nos Estados Unidos, o risco associado a certos tipos de móveis estofados modernos (particularmente aqueles que contêm espuma de poliuretano padrão) foi reconhecido e, eventualmente, regulamentos rígidos foram introduzidos para controlar sua disponibilidade.

São casos simples em que a observação das consequências do incêndio conduziu à imposição de um conjunto de regras destinadas a melhorar a segurança do indivíduo e da colectividade em caso de incêndio. A decisão de ação em qualquer questão deve ser justificada com base em uma análise de nosso conhecimento de incidentes de incêndio. É preciso mostrar que o problema é real. Em alguns casos – como os incêndios de São Paulo – esse exercício é acadêmico, mas em outros, como “provar” que móveis modernos são um problema, é preciso garantir que os custos associados sejam gastos com sabedoria. Isso requer um banco de dados confiável sobre incidentes de incêndio que, ao longo de vários anos, seja capaz de mostrar tendências no número de incêndios, número de mortes, incidência de um tipo específico de ignição, etc. Técnicas estatísticas podem então ser usadas para examinar se uma tendência, ou uma mudança, é significativa e medidas apropriadas foram tomadas.

Em vários países, a brigada de incêndio é obrigada a apresentar um relatório sobre cada incêndio atendido. No Reino Unido e nos Estados Unidos, o oficial responsável preenche um formulário de relatório que é submetido a uma organização central (o Home Office no Reino Unido, a National Fire Protection Association, NFPA, nos Estados Unidos) que então codifica e processa os dados de uma forma prescrita. Os dados ficam então disponíveis para consulta por órgãos governamentais e demais interessados. Esses bancos de dados são inestimáveis ​​para destacar (por exemplo) as principais fontes de ignição e os primeiros itens inflamados. Um exame da incidência de fatalidades e sua relação com fontes de ignição etc. mostrou que o número de pessoas que morrem em incêndios iniciados por materiais de fumantes é significativamente desproporcional ao número de incêndios originados dessa maneira.

A confiabilidade desses bancos de dados depende da habilidade com que os bombeiros realizam a investigação do incêndio. A investigação de incêndios não é uma tarefa fácil e requer habilidade e conhecimento consideráveis ​​- em particular, um conhecimento da ciência do fogo. O Corpo de Bombeiros do Reino Unido tem o dever estatutário de enviar um formulário de relatório de incêndio para cada incêndio atendido, o que impõe uma responsabilidade considerável ao oficial responsável. A construção do formulário é crucial, pois deve obter as informações necessárias com detalhes suficientes. O “Formulário Básico de Relatório de Incidente” recomendado pela NFPA é mostrado no Manual de Proteção Contra Incêndio (Cote 1991).

Os dados podem ser usados ​​de duas maneiras, seja para identificar um problema de incêndio ou para fornecer o argumento racional necessário para justificar um determinado curso de ação que pode exigir gastos públicos ou privados. Um banco de dados estabelecido há muito tempo pode ser usado para mostrar os efeitos das ações tomadas. Os dez pontos a seguir foram extraídos das estatísticas da NFPA durante o período de 1980 a 1989 (Cote 1991):

1. Os detectores de fumaça domésticos são amplamente usados ​​e muito eficazes (mas ainda existem lacunas significativas na estratégia do detector).

2. Sprinklers automáticos produzem grandes reduções na perda de vidas e propriedades. O aumento do uso de equipamentos portáteis e de aquecimento de área aumentou acentuadamente os incêndios domésticos envolvendo equipamentos de aquecimento.

3. Incêndios incendiários e suspeitos continuaram a diminuir desde o pico de 1970, mas os danos materiais associados pararam de diminuir.

4. Uma grande parte das mortes de bombeiros é atribuída a ataques cardíacos e atividades fora do local do incêndio.

5. As áreas rurais têm as maiores taxas de mortalidade por incêndios.

6. Materiais fumegantes que incendeiam móveis estofados, colchões ou roupas de cama produzem os cenários de incêndio residencial mais letais.

7. As taxas de mortalidade por incêndios nos Estados Unidos e Canadá estão entre as mais altas de todos os países desenvolvidos.

8. Os estados do Velho Sul nos Estados Unidos têm as maiores taxas de mortalidade por incêndios.

9. Adultos mais velhos correm um risco particularmente alto de morte em incêndios.

Tais conclusões são, obviamente, específicas de cada país, embora existam algumas tendências comuns. O uso cuidadoso de tais dados pode fornecer os meios para formular políticas sólidas sobre segurança contra incêndio na comunidade. No entanto, deve ser lembrado que estes são inevitavelmente “reativos”, ao invés de “proativos”. Medidas proativas só podem ser introduzidas após uma avaliação detalhada do risco de incêndio. Esse curso de ação foi introduzido progressivamente, começando na indústria nuclear e passando para as indústrias química, petroquímica e offshore, onde os riscos são definidos com muito mais facilidade do que em outras indústrias. Sua aplicação em hotéis e edifícios públicos geralmente é muito mais difícil e requer a aplicação de técnicas de modelagem de incêndio para prever o curso de um incêndio e como os produtos do fogo se espalharão pelo edifício para afetar os ocupantes. Grandes avanços foram feitos neste tipo de modelagem, embora deva ser dito que há um longo caminho a percorrer antes que essas técnicas possam ser usadas com confiança. A engenharia de segurança contra incêndio ainda precisa de muita pesquisa básica em ciência de segurança contra incêndio antes que ferramentas confiáveis ​​de avaliação de risco de incêndio possam ser amplamente disponibilizadas.

Voltar